关于综合管廊工程盾构液氮冻结施工技术的探讨

曾德文

广州市市政集团有限公司工程总承包分公司 广东 广州 510060

1 工程概况

天河智慧城地下综合管廊盾构施工段全长8.08km，分为华观路综合管廊和科韵路综合管廊。科韵路段综合管廊主要沿现状科韵路铺设，起于菠萝山保障房旁，终于广园快速北侧棠下 220kV 变电站，全长约2.92km，沿线设7个综合井（K3-1、K3、K4、K5、K6、K7、K8）。本区间采用的泥水盾构机施工，选自于德国海瑞克。本盾构区间由K4综合井（兼盾构始发井）向南始发掘进至K8综合井吊出。本次液氮冻结施工处于隧道225环，刀盘里程KB0+682.34，盾构顶部埋深约23m，根据勘察报告，稳定水位约4.2～4.3m。该处地层自上往下为：

表1 岩土分层图

其中全风化花岗岩、微风化花岗岩就是盾构洞身所处地层。

2 液氮冻结加固方案

采用开口率为28%的刀盘，其开挖直径为6280mm，并且采用多种刀具类型，具体包括六种，即17″双刃中心滚刀、18″单刃正面滚刀、18″单刃边缘滚刀、仿形刀滚刀、标准刮刀、边缘刮刀。在换刀之前，需要进行地层加固，对此，根据现场实际情况，拟采用液氮冻结，然后进行换刀。为确保盾构顺利换刀，采用液氮冻结加固方式。即：在盾构机刀盘周围设置垂直冻结孔，冻结盾构机刀盘上部、左右侧、前方的土层，并且在刀盘周形成 “∩”状冷冻加固体。拟在刀盘前方设置1排冻结管，盾构两边布置2排冻结孔，盾构上部位置布置1排冻结孔，采用液氮进行冻结,短时间内形成冻结壁。在刀盘换刀时，一方面冻结壁起到加固周边土体的作用，另一方面冻结壁起到封水的作用，为安全换刀提供良好的环境,为此，必须保证冻结壁施工质量，进而使其能够承受上述的作用[1]。

3 盾构液氮冻结施工技术

3.1 施工工艺流程

本次常压开仓采用液氮冷冻的方式进行加固处理，具体施工工艺流程见下图：

3.2 冻结孔施工

3.2.1 打钻设备选型

由于本工程工期较为紧张，根据现场条件，钻孔设备选用地质钻机（柴油）2台，钻孔使用灯光测斜。施工前应对钻孔地面位置进行适当硬化，并对盾构停机位置的刀盘、中心线、边线、地面标高进行测量，保证钻孔深度与设计相符。现场准备发电机一台，保证电焊机及施工照明用电。

3.2.2 钻孔施工方法

首先安装好固定钻机以后，需要立即固定钻机，固定时，需要将冻结孔设计位置作为依据，固定好后开始钻进，前5m需要对钻杆垂直度进行反复的校验，并且对钻机位置进行精准调整。

钻进时，要均匀前进，并且要控制好转速和压力，保证冲洗量的适宜性，对于钻铤的增减，既要考虑深度，也要考虑地层情况。钻具应在加尺或更换钻头时进行重新设置，需要使其下到距孔底0.3～0.5m处，并进行扫孔，按照规范要求，禁止在冲洗钻具时，将其停在一个深度，并且长期的进行冲洗。一旦发生停电的情况，应立即提升钻具，使其达到安全深度，如果停电时间大于2小时，为了保护钻具的安全，对于所有的钻具，应全部提出。在钻进过程中，需要定期检查所有钻具的质量，检查时，一旦发现出现弯钻杆和磨损过大的情况，应立即更换钻杆，终孔时，对钻具全长进行仔细的复核，通过冲孔排净岩粉，再下放冻结管。

一个钻孔结束以后，开始进行下管，下第一根管时，需要对焊接密封其钢管的底部，然后焊接下放第一个管与其它钢管。钢管下放完毕后，为了避免冻结管中掉入异物，还需要管口用木塞堵住。最后在进行下一个冻结孔的钻孔以及下管施工。

垂直冻结管采用局部冻结工艺，在地面预加工，完成加工以后，实施局部冻结，然后再通过吊车，将垂直冻结管进行整根下放。

冻结孔试压试漏：通过冻结管检漏试验确定成孔管的压力，试验时，将初始的试验压力设置为0.8MPa，试压时间为30min，在此过程中，观察压力下降的情况，如果不超过0.05MPa，试压时间在延长15min，如果压力不变，则视为合格。

3.2.3 钻孔精度保证措施

在钻孔过程中为保证盾构机刀盘安全，确保现场钻孔位置和深度，现场钻孔作业时须严格执行以下保证措施：冻结孔孔位由项目部测量人员测量复核后设置显著的标识，钻孔作业班组根据现场标识钻进，严禁私自调整孔位；钻进过程中应反复校核钻杆垂直度，发生偏斜时应及时调整；钻进至距离设计孔底标高0.5m处时，应减小钻进速度，直至终孔；钻孔过程中当遇到扭矩过大、钻头跳动等异常情况，应及时停止钻进，由测量人员核查钻孔位置及深度无异常后方可恢复钻进[2]。

3.3 冻结系统施工

3.3.1 液氮冻结系统安装

将Ф32的供液管的进行下放，使其置于冻结管内底部。采用不锈钢金属软管来连接供液管和液氮分配器，罐车中的液氮通过液氮分配器和供液管均匀分配给每一个冻结管。

根据现场工况，采用单孔单循环连接方式，保证各液氮冻结管在向外扩散冷量时，能够均匀的进行。采用不锈钢软件，对各管路进行连接，由低温液氮阀门进行控制，并且使用保温泡沫板来包裹所有暴露的冻结管路。当槽车液氮用至一半时联系液氮槽车到达现场进行补给，过程中控制好时间。

液氮冻结施工，要严格控制温度和压力，根据规范要求，对于液氮储罐出口的液氮温度，将其控制在-150℃～-170℃范围之内较为适宜，对于液氮储罐出口的压力，将其控制在0.1MPa～0.15MPa范围之内较为适宜；对于液氮出气口温度，将其控制在-50℃～-60℃范围之内较为适宜，对于液氮出气口压力，将其控制在0.05MPa～0.1MPa范围之内较为适宜。

3.3.2 液氮冻结系统保温

连接不锈钢软管、连接接头以及控制阀等暴露空气中的管路，通过保温处理来减少冷量的损失。保温层采用橡塑保温板和保温棉材质，厚度不小于5cm。同时，排气管应高于地面2m以上，地面保温需要进行保温。

3.3.3 液氮的运输和存放

目前疫情影响较大，优先选用广州市本地的液氮厂家供应液氮，采用的液氮运输槽车，其运输量应不小于20m3，由生产企业的专业人员负责运输。同时冻结期间，为了避免出现施工中液氮供应中断的问题，还需要采用容积大于20m3的1辆液氮储罐车作为储备设备。需要注意的是液氮供运输，需要保证时间要求，以便于能够及时的、持续的供应液氮供应。

3.3.4 液氮冻结系统的预冷

根据规范要求，整个冻结系统在正式冻结前需要通过低温氮气进行充分预冷。预冷冻结时，通过阀门来控制进入供液管内的氮气，使其温度保持-30℃以上，氮气温度在预冷的时间持续1小时以后逐渐降低，15-24小时左右将液氮输入供液管中。

3.3.5 冻结过程的控制

液氮在冻结管内充满后需冻结1天，液氮的供应需根据冻结效果进行调整。冻结过程要进行测温，并液氮供应压力和供应量需要根据测温数据进行科学、合理的调整，既让液氮充分发挥冻结作用，又能保证冻结的效果。

3.3.6 冻结时间估算

液氮冻结：根据液氮施工经验，积极冻结期，冻土的平均发展速度为15cm/天以上。考虑到冻结孔偏斜，冻结孔最大孔间距为：L=1200mm。据此推算冻土交圈时间为：T=1200/2/15=4天。即液氮冻结5天后可以开仓清理及换刀作业。

3.3.7 液氮需用量

冻结体积约为：长×宽×高＝106m3。

每立方米冻土每天约需液氮0.5t，则积极冻结时总需液氮量：

0.5×5×106=265t。

此次换刀时间暂定为2天。

维护冻结液氮消耗量：0.25×2×106=53t。

液氮总消耗量（预计）（265+53）*1.1=349.8t*1.1=384.8t。（液氮损失按照10%考虑）

3.3.8 强制解冻

待换刀完成后，关闭仓门，及时的强制解冻所有冻结孔，如果存在对盾构推进施工影响的冻结管，按照要求需要全部拔除。在穿越冻结区时，需要注意盾构不宜停留，且刀盘解锁后不间断正反转动，否则可能会发生防刀盘被冻死的情况。

（1）采用热盐水，对冻结管进行循环解冻，待冻结管周围冻结体解冻以后立即拔除冻结管，并对冻结孔进行灌浆封堵。

（2）判断依据：刀盘解冻采用泥浆内参入氯化钙循环进行解冻，只要满足刀盘能转动后停止泥浆循环，然后恢复掘进，在通道冷冻区时刀盘应连续转动，以防刀盘被冻死。

所有冻结管全部拔出后，盾构方可开始推进，防止盾构推进损坏冻结管，使其无法拔出。拔除冻结管，不需完全解冻，冻结管完全拔除并回填砂浆或黄砂。

3.4 开仓验收条件

打开仓门之前，必须具备如下条件方可开仓清理：

1、经过测温孔测温，冻结板块厚度达到设计要求，对冻结壁平均温度进行测量，已降至-10℃以下。通过智能化冻结温控系统每天实时监测，测温项目主要包括两个方面，一是每根冻结管出气口的温，二是各测温孔的温度。开仓前冻土墙的厚度的检验方式主要有：T1、T2、T3各测温孔，按照规范要求，各测温孔的测点以及交界面平均温度均要达到-5°以下，对于冻土平均温度，需要达到-10°以下。

2、对土仓内土体进行全面清理，在此过程中，如果存在渗水点，要采取措施，及时封堵。

3、开仓作业时，仓内气体必须持续循环，进仓前必须进行气体检查，仓内气体条件应符合表2的规定，如果超标，禁止人员进仓作业，则继续进行气体置换。

表2 开仓验收条件

表3 开挖仓内气体条件要求

（1）检测位置：开仓前，其检测位置为开挖仓壁的隔板开口处，开仓后，其检测位置为仓内。

（2）检测频率：开仓作业时，将检测次数控制在1h-2h检测一次的频率较为适宜，如果检测过程中，发现异常，则可以适当的增加加密检测频率，一般请情况下每0.5h-1h检测一次，并做好记录。

3.5 仓内作业注意事项

1、仓内作业时，人仓与土仓之间闸门必须保持敞开。

2、换刀方式采取依次换刀方式，即：换完一把后再依次更换其他刀具，更换刀具时，有可能会出现冻死的情况，可采取局部解冻的方式，对刀具周围冻土进行适当解冻。

3、待仓内工作事项全部完成以后关闭仓门，并向仓内注满膨润土泥浆，最后进行强制解冻，恢复掘进施工。

3.6 融沉控制

3.6.1 融沉注浆

为控制冷冻融沉量，应根据实际情况和测量数据对冷冻区域进行注浆，相关要求如下：注浆总量：根据经验，按照冻土体积的15%左右，对融沉注浆总量进行准确计算，即注浆体积约为9.6m3。并在盾构机通过该冷冻区域后，用以下两种方式进行融沉注浆：①利用拔除的冻结孔中预留注浆管进行跟踪注浆；②跟踪注浆时，主要是通过管片上注浆孔进行实施。

1、地面预留注浆管注浆施工要求

（1）安装注浆阀管及注浆芯管：在冻结管拔除后再原冻结孔中钻孔灌入封闭泥浆后立即插入单向密封阀管至设计深度，然后再在注浆阀管中插入密封式双向密封芯管。

（2）灰浆搅拌：拌制水泥浆，水灰比0.6，28天无侧限抗压强度qu＞0.2MPa。

（3）注浆：注浆阀管及注浆芯管安装完毕后，通过注浆软管，将注浆泵以及注浆芯管进行连接，开始注浆，注浆一段拔出一段。注浆压力按0.2-0.5MPa控制，重复3次注浆，注浆压力逐步提高，注浆结束标准以达到注浆终压并继续注浆5min可结束,实际灌浆参数根据现场试验后再进行调整，注浆扩散半径设为1.0m。

（4）注浆孔填塞处理：考虑到在施工过程中造成地面不均匀沉降值可能超标，需再次用注浆加固方式以减小沉降速度，防止建筑物沉降不再快速延续，将注浆孔预留备用，用麻丝塞注浆阀管上口20～30cm，保证不进水，并做好明显标志易于找寻。

2、管片注浆孔注浆施工要求

（1）注浆压力：注浆压力控制在0.15-0.25MPa，超过0.3MPa则停止注浆。

（2）浆液配比：单液浆，水灰比0.6。

（3）注浆结束标准：在对注浆指标控制时，主要以注浆压力作为主要标准，即当注浆压力达到设定值时，持续注10min左右停止注浆[3]。

4 总结

从上述内容可以看出液氮冻结施工技术也较为复杂，对此应根据工程项目的情况，制订完善的液氮冻结施工方案，对施工方案的相关规定进行严格的执行，抓住液氮冻结施工技术要点，确保液氮冻结施工的质量。